EP3053182B1

EP3053182B1 - Strahlungserzeugungsanlage

Info

Publication number: EP3053182B1
Application number: EP14772094.0A
Authority: EP
Inventors: Oliver Heid
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-11-19
Filing date: 2014-09-16
Publication date: 2017-08-16
Anticipated expiration: 2034-09-16
Also published as: CN105723494A; US20160293375A1; DE102013223517A1; WO2015074781A1; EP3053182A1; US10074503B2; CN105723494B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strahlungserzeugungsanlage gemäß Anspruch 1. Eine Elektronenkanone weist im Allgemeinen eine Kathode zur Emission freier Elektronen auf, welche anschließend durch ein elektronenoptisches System beschleunigt werden. Zusätzlich können Vorrichtungen vorhanden sein, die die Elektronen zu einem gerichteten Strahl bündeln und auf einen Zielbereich fokussieren. Hierzu werden zum Beispiel elektrostatische Linsen oder auch Magnetfelder eingesetzt. Die dabei minimal erreichbare Fokusgröße ist bei Elektronenstrahlen hoher Stromdichte durch die gegenseitige Abstoßung der Elektronen innerhalb des Strahls begrenzt.
Druckschrift US 2007/0278928 A1 beschreibt eine Elektronenquelle für niederenergetische Elektronen. Druckschrift US 3980919 beschreibt eine Elektronenquelle zur Emission eines Elektronenstrahls mit rechteckigem Querschnitt, welche eine Kathode mit planer, rechteckiger Emissionsfläche umfasst. Druckschrift JP H05174761 A beschreibt eine Elektronenquelle mit einer Kathode, die ebenfalls eine rechteckige, plane Emissionsfläche aufweist. Druckschrift US 2842703 beschreibt eine Elektronenquelle mit einer konkaven Kathode in Form einer Kreisscheibe.
Druckschrift DE 2334106 beschreibt eine Vorrichtung zum Verschweißen der Stirnflächen rohrförmiger Körper mittels eines von einer Ringkathode erzeugten Elektronenstrahls. Druckschrift DE 1589006 beschreibt ein Elektrodensystem zur Erzeugung eines Elektronenstrahls mit einer ringförmig ausgebildeten Kathode für die Materialbearbeitung. Druckschrift WO 2015/05897 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Erzeugen beschleunigter Elektronen für die chemische Materialmodifikation oder Desinfektion von Oberflächen. DE 10 2009 038 687 A1 offenbart eine Strahlerzeugungsanlage zur Erzeugung von Röntgenstrahlung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Strahlungserzeugungsanlage bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Strahlungserzeugungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung umfasst eine Elektronenkanone einer Strahlerzeugungsanlage gemäss Anspruch 1 zur Erzeugung eines Elektronen-Flachstrahls eine Kathode mit einer um eine Zentralachse gekrümmten Emissionsfläche, die dazu ausgebildet ist, Elektronen zu emittieren, sowie eine Beschleunigungsvorrichtung zur radialen Beschleunigung der Elektronen in Richtung eines Zielbereich an der Zentralachse. Des Weiteren weist die Emissionsfläche eine Breite in azimutaler Richtung und eine senkrecht zur Breite orientierte Höhe auf, wobei die Breite mindestens zehnmal so groß wie die Höhe ist. Breite und Höhe sind jeweils entlang der Emissionsfläche definiert, wobei die azimutale oder Breitenrichtung die Richtung bezeichnet, in der die Emissionsfläche die Krümmung um die Zentralachse aufweist.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Emissionsfläche der Kathode kann ein Elektronen-Flachstrahl mit einem großen Breiten-zu-Dicken-Verhältnis erzeugt werden. Die Dicke des Strahls wird dabei senkrecht zur Breitenrichtung und senkrecht zu einer Strahlrichtung definiert. Da der Elektronen-Flachstrahl seine Richtung während der Beschleunigung ändern kann, wird mit der Strahlrichtung immer auf die lokale mittlere Bewegungsrichtung der Elektronen Bezug genommen. Ein solcher Flachstrahl lässt sich vorteilhafterweise in Dickenrichtung gut fokussieren, was die Erzeugung einer sehr feinen Brennlinie ermöglicht.
Zusätzlich ist bei Flachstrahlen zur Fokussierung in Dickenrichtung eine geringere elektronenoptische Verkleinerung als bei Rundstrahlen gleicher Querschnittsfläche notwendig, wodurch die Anforderungen an die elektronenoptische Qualität einer Linse zur Fokussierung in dieser Richtung sinken. Dies kann es ermöglichen, rein elektrostatisch zu fokussieren und auf komplizierte Magnetlinsen zu verzichten. Die damit erreichbare Vereinfachung des Kanonenaufbaus verringert den Kostenaufwand bei Fertigung und Wartung. Eine Fokussierung des Strahls in Breitenrichtung wird durch die gekrümmte Emissionsfläche und die radiale Beschleunigung unterstützt, die die emittierten Elektronen schon in der Elektronenkanone zum Zielbereich hin zusammenlaufen lassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Beschleunigungsvorrichtung dazu ausgebildet, die Elektronen in Dickenrichtung abzulenken. Dadurch ermöglicht die Elektronenkanone eine Strahlführung, die nicht auf eine Ebene beschränkt ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Beschleunigungsvorrichtung zusätzlich dazu ausgebildet, den Elektronen-Flachstrahl in Dickenrichtung zu fokussieren. Dies ermöglicht vorteilhafterweise die Erzeugung eines fokussierten Elektronen-Flachstrahls.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Breite der Emissionsfläche mindestens einhundertmal, vorzugsweise mindestens eintausendmal größer als ihre Höhe. Bei konstantem Gesamtstrom und konstanter Höhe der Emissionsfläche führt eine größere Breite zu einer Reduktion der Stromdichte und damit der Raumladungskräfte an der Kathode. Da Raumladungskräfte insbesondere in den Bereichen, in denen der Elektronen-Flachstrahl langsam ist, einen großen Einfluss auf die Strahlqualität haben, lässt sich durch eine geringere Raumladungsdichte an der Kathode auf vorteilhafte Weise eine Verbesserung der Emittanz des Strahls erreichen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Emissionsfläche der Kathode als geschlossener Ring ausgebildet. Hierdurch weist die Kathode in Breitenrichtung keine Randflächen auf, deren Streufelder eine Ablenkung des Elektronen-Flachstrahls bewirken könnten. Außerdem kompensieren sich die Raumladungskräfte auf ein einzelnes Elektron in Breitenrichtung, so dass eine radiale Strahlführung wesentlich erleichtert wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist eine Strahlrichtung im Zielbereich nicht zu der Emissionsfläche der Kathode. Hierdurch lässt sich - insbesondere bei einer ringförmigen Ausführung der Emissionsfläche - vermeiden, dass Elektronen, die entlang der betreffenden Strahlrichtung den Zielbereich durchqueren, wieder auf der Emissionsfläche auftreffen. Andernfalls könnte die Emissionsfläche durch ein Aufheizen oder elektroneninduzierte Adsorption von Fremdatomen beschädigt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung steht eine Strahlrichtung am Ort der Kathode nicht senkrecht auf der Zentralachse. Alternativ oder zusätzlich dazu steht gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform eine Strahlrichtung im Zielbereich nicht senkrecht auf der Zentralachse. Hierdurch kann ebenfalls vermieden werden, dass Elektronen, die entlang der betreffenden Strahlrichtung die Kathode verlassen und/oder den Zielbereich durchqueren, auf einem gegenüberliegenden Teil der Emissionsfläche auftreffen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Randfläche einer Elektrode der Beschleunigungsvorrichtung als Segment einer Rotationsfläche ausgebildet, wobei die Rotationsachse der Fläche parallel zur Zentralachse orientiert ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache und kompakte Ausführung der Beschleunigungsvorrichtung zur radialen Beschleunigung der Elektronen in Richtung des Zielbereichs an der Zentralachse.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Rotationsflächensegment, das eine Randfläche einer Elektrode bildet, einen Rotationswinkel von dreihundertsechzig Grad. Dies ermöglicht eine kompakte und einfache Bauform der Beschleunigungsvorrichtung, insbesondere, aber nicht ausschließlich, wenn alle den Elektronen zugewandten Randflächen der Beschleunigungsvorrichtung in dieser Weise ausgebildet sind. Zusätzlich werden Streufelder an den die Rotationsflächen azimutal begrenzenden Randflächen vermieden, was eine Strahlführung in radialer Richtung erleichtert.
Eine ringförmige Ausbildung der Beschleunigungsvorrichtung erlaubt es außerdem, den Elektronen-Flachstrahl in Breitenrichtung alleine durch eine radiale Strahlführung auf den Zielbereich zu fokussieren. Es entfallen also ansonsten eventuell notwendige Elemente, die eine Fokussierung in Breitenrichtung bewirken, was den Aufbau des Gesamtsystems vereinfacht. Außerdem werden durch eine ringförmige Ausgestaltung auf besonders einfache Weise am Ort der Kathode eine geringe Stromdichte und eine reduzierte Raumladungswirkung realisiert, während gleichzeitig die Stromdichte der Elektronen im Zielbereich hoch sein kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Beschleunigungsvorrichtung eine Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes auf. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine magnetische Ablenkung der Elektronen. Eine magnetfeldgestützte Strahlführung und -fokussierung erlaubt es, elektronenoptische Elemente mit kleinen Abbildungsfehlern zu realisieren, was die erreichbare Fokusgröße weiter reduzieren kann.
Hierbei ist das Magnetfeld gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform rotationssymmetrisch zu einer Achse, die parallel zur Zentralachse ausgerichtet ist. Dadurch lässt sich die Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds vorteilhafterweise besonders einfach konstruieren.
Eine Strahlungserzeugungsanlage gemäss der Erfindung weist eine Elektronenkanone der vorgenannten Art auf, in deren Zielbereich eine Zielstruktur angeordnet ist. Hier ermöglicht die gute Fokussierbarkeit des von der Elektronenkanone erzeugten Elektronen-Flachstrahls eine hohe Stromdichte auf der Zielstruktur und damit beispielsweise eine hohe Intensität der erzeugten Strahlung. Erfindungsgemäss wird die Zielstruktur als Röntgentarget ausgebildet. Hierdurch kann eine besonders kompakte Röntgenquelle hoher Intensität realisiert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung der Strahlungserzeugungsanlage ist die Beschleunigungsvorrichtung der Elektronenkanone dazu ausgebildet, die Elektronen auf eine Energie von mindestens 25keV, bevorzugt auf eine Energie von mindestens 100keV zu beschleunigen. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Erzeugung von kurzwelligem Röntgenlicht.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen in jeweils schematischer Darstellung:

Figur 1: eine Gesamtansicht eines Querschnitts einer Elektronenkanone;
Figur 2: eine perspektivische Darstellung eines Segments einer Elektronenkanone;
Figur 3: eine Detailansicht eines Querschnitts einer Elektronenkanone mit ringförmiger Emissionsfläche und einer Beschleunigungsvorrichtung; und
Figur 4: eine Detailansicht eines Querschnitts einer Elektronenkanone mit ringförmiger Emissionsfläche und einer Beschleunigungsvorrichtung.

In Figur 1 ist die Schnittansicht einer Elektronenkanone 1 schematisch dargestellt. Die Elektronenkanone 1 erlaubt es, einen Elektronen-Flachstrahl zu erzeugen und diesen sowohl in Dicken- als auch in Breitenrichtung zu fokussieren. Während eine Fokussierung in Dickenrichtung durch elektronenoptische Elemente realisiert wird, wird eine Fokussierung in Breitenrichtung durch eine radiale Strahlführung erreicht. Hierzu sind alle Elemente dieses Ausführungsbeispiels rotationssymmetrisch um eine Zentralachse 20 angeordnet. Zusätzlich zur Rotationssymmetrie weist der gesamte Aufbau eine Spiegelsymmetrie bezüglich einer mittig angeordneten Strahlebene 11 auf.
Die dargestellte Elektronenkanone 1 umfasst eine ringförmige Kathode 100 und eine Beschleunigungsvorrichtung 200. Die Kathode 100 weist dabei eine Emissionsfläche 110 auf, welche sich auf der Innenfläche der Kathode 100 befindet und in Richtung der Zentralachse 20 ausgerichtet ist. Die Beschleunigungsvorrichtung 200 umfasst eine ebenfalls ringförmige Kathodenelektrode 230, die die Außenseite der Kathode 100 umgibt, sowie eine untere Linsenelektrode 210 und eine obere Linsenelektrode 215, die zwischen Kathode 100 und Zentralachse 20 angeordnet sind. Des Weiteren umfasst die Beschleunigungsvorrichtung 200 ein unteres Anodenelement 220 und ein oberes Anodenelement 225.
Die Kathode 100 ist als Rotationskörper mit einer Rotationsachse 101, die Elemente der Beschleunigungsvorrichtung 200 als Rotationskörper mit einer gemeinsamen Rotationsachse 201 ausgebildet. In der dargestellten Ausführung fallen die Rotationsachsen 101, 201 von Kathode 100 und Beschleunigungsvorrichtung 200 mit der Mittenachse 20 zusammen. Es sind allerdings auch Ausführungen möglich, bei denen zwei oder alle drei Achsen nicht aufeinander liegen, sondern lediglich parallel zueinander angeordnet sind. Ebenso können die einzelnen Elemente 210, 215, 220, 225, 230 der Beschleunigungsvorrichtung 200 unterschiedlich angeordnete Rotationsachsen aufweisen.
Die Kathode 100 und die Kathodenelektrode 230 bilden bei der dargestellten Elektronenkanone 1 einen äußeren Ring um die Zentralachse 20. Im Inneren dieses Rings sind konzentrisch die ebenfalls ringförmigen Linsenelektroden 210, 215 angeordnet. Dabei liegen die untere Linsenelektrode 210 und die obere Linsenelektrode 215 symmetrisch zueinander auf jeweils einer Seite der Strahlebene 11. Elektronen, die von der Emissionsfläche 110 der Kathode 100 emittiert werden, bewegen sich entlang der Strahlebene 11 im Zwischenraum zwischen den Linsenelektroden 210, 215 radial nach innen auf einen Zielbereich 30 zu, der sich im Zentrum der Elektronenkanone 11 an der Zentralachse 20 befindet.
Dort sind auch das untere Anodenelement 220 und das obere Anodenelement 225 angeordnet, welche beide kegelförmig ausgebildet sind. Wie die Linsenelektroden 210, 215 liegen sie symmetrisch zueinander auf gegenüberliegenden Seiten der Strahlebene 11, so dass beschleunigte Elektronen den entstehenden Zwischenraum entlang der Strahlebene 11 durchqueren können.
Zur besseren Illustration, insbesondere der Ausgestaltung der Kathode 100, zeigt Figur 2 eine perspektivische schematische Darstellung eines Segments der Elektronenkanone 1. Bedingt durch die rotationssymmetrische Ausführung der Linsenelektroden 210, 215 bilden die Oberflächen dieser Elektroden Rotationsflächen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Elektronenkanone 1 bewegen sich die Elektronen insbesondere entlang einer Randfläche 211 der unteren Linsenelektrode 210 und einer Randfläche 216 der oberen Linsenelektrode 215.
Die Emissionsfläche 110 der Kathode 100 weist eine Breite 120 auf, die mindestens zehnmal größer ist als eine Höhe 130, die senkrecht zur Breite 120 entlang der Emissionsfläche gemessen wird. Breite und Höhe sind jeweils entlang der Emissionsfläche 110 definiert, wobei eine azimutale oder Breitenrichtung 125 die Richtung bezeichnet, in der die Emissionsfläche 110 die Krümmung um die Zentralachse 20 aufweist. Im Allgemeinen muss die Krümmung der Emissionsfläche 110 entlang der Breitenrichtung 125 nicht konstant sein. Neben einer durch die Ringform bedingten Krümmung entlang der Breitenrichtung 125 weist die Emissionsfläche 110 im dargestellten Ausführungsbeispiel auch eine Krümmung entlang ihrer Höhe 120 auf.
Die Emissionsfläche 110 umfasst dabei definitionsgemäß den Bereich der Oberfläche der Kathode 100, von dem aufgrund der Ausgestaltung der Elektronenkanone 1 Elektronen bis zum Zielbereich 30 geführt werden. Insbesondere kann die Emissionsfläche 110 auch durch eine Blende, die zwischen Kathode 100 und Zielbereich 30 angeordnet ist und den emittiert Strahl begrenzt, definiert werden.
Figur 3 zeigt eine weitere Darstellung der Elektronenkanone 1, in der zudem beispielhaft ein erzeugter Elektronen-Flachstrahl 10 im Querschnitt dargestellt ist.
Die Kathode 100 und die untere bzw. obere Linsenelektrode 210, 215 sind so angeordnet, dass emittierte Elektronen an jedem Ort der Emissionsfläche 110 in einer jeweils radialen Richtung 140 zum Zielbereich hin beschleunigt werden können. Hierzu sind die Kathode 100 und die Linsenelektroden 210, 215 zusätzlich so ausgebildet, dass an die Kathode 100 eine negative Spannung mit Bezug auf die Linsenelektroden 210, 215 angelegt werden kann. Durch die radiale Beschleunigung bildet sich im Betrieb der Elektronenkanone 1 ein scheibenförmiger Elektronen-Flachstrahl 10 aus, der symmetrisch um die Strahlebene 11 angeordnet ist.
Elektronen, die in einem Fokussierbereich 250 wieder aus dem Bereich zwischen den Linsenelektroden 210, 215 austreten, werden anschließend weiter auf die gewünschte Endgeschwindigkeit im Zielbereich 30 beschleunigt. Hierzu kann zwischen den Anodenelementen 220, 225 und den Linsenelektroden 210, 215 ebenfalls eine elektrische Spannung angelegt werden. Die inneren Randflächen der Linsenelektroden 210, 215 und die Randflächen der Anodenelemente 220, 225 sind zusätzlich so geformt, dass sich bei Spannungsbelegung in einem Fokussierbereich 250 ein elektrisches Feld ausbildet, in dem der Elektronen-Flachstrahl 10 in einer Dickenrichtung 150, welche in der gezeigten Ausführung an jedem Ort parallel zur Zentralachse 20 orientiert ist, fokussiert wird.
Eine beispielhafte Spannungsbelegung, um den skizzierten Strahlverlauf bei einer Strahlenergie von 25 keV bis 200 keV zu erhalten, ist, bezogen auf das Kathodenpotential, eine Spannung von 25 kV bis 200 kV auf den Anodenelementen 220, 225. Die Linsenelektroden 210, 215 sind dann mit etwa einem Fünftel der Anodenspannung beaufschlagt, also etwa 5 kV bis 40 kV. Bevorzugt werden die Anodenelemente 220, 225 mit 50 kV und die Linsenelektroden 210, 215 mit 10 kV beaufschlagt, besonders bevorzugt mit 100 kV bzw. 20 kV. Eine Strahlenergie von 25 keV bis 200 keV stellt beispielsweise einen sinnvollen Energiebereich zur Röntgenlichterzeugung dar, bei dem in konventionellen Röntgentargets ein für zum Beispiel medizinische Anwendungen geeignetes Röntgenspektrum erzeugt wird.
Zur Fokussierung des Elektronen-Flachstrahls 10 auf den Zielbereich 30 gelangen in Breitenrichtung 125 und Dickenrichtung 150 zwei unterschiedliche Methoden zur Anwendung. In Dickenrichtung 150 wird der Elektronen-Flachstrahl durch eine elektrostatische Linse fokussiert. Zur Fokussierung in Breitenrichtung 125 wird dagegen durch die Geometrie der Elektronenkanone 1 eine auf den Zielbereich 30 radial nach innen ausgerichtete Strahlführung verwendet, wodurch keine Ablenkung der Elektronen in Breitenrichtung 125 erforderlich ist.
Die in den Figuren 1 bis 3 gezeigte rotationssymmetrische Ausführung der Elektronenkanone 1 hat den Vorteil, dass sich die durch die gegenseitige Abstoßung der Elektronen des Elektronen-Flachstrahls 10 erzeugten Raumladungskräfte in Breitenrichtung 125 kompensieren. Dadurch kann der Elektronen-Flachstrahl 10 nicht nur in Dickenrichtung 150, sondern auch in Breitenrichtung 125 sehr fein fokussiert werden. Die verbleibende Radialkomponente der Raumladung hat auf die erreichbare Fokusgröße eine zu vernachlässigende Auswirkung.
Durch die rotationssymmetrische Ausführung sind außerdem die durch die Kathode 100 und die Beschleunigungsvorrichtung 200 erzeugten Felder in Breitenrichtung 125 homogen und hängen nur von der radialen Entfernung der Elektronen von der Zentralachse 20 ab. Daher treten in Breitenrichtung 125 keine Randfelder auf, die zu einer Ablenkung des Strahls führen könnten.
Die in Figur 1 bis 3 dargestellte Elektronenkanone 1 ermöglicht eine große Emissionsfläche 110 im Randbereich der Elektronenkanone 1 und damit eine geringe Elektronendichte an den Stellen, in denen die Elektronen noch langsam sind. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Strahlqualität aus, da Raumladungen diese besonders in den Bereichen beeinflussen, in denen die entstehenden Kräfte die Elektronen auf Geschwindigkeiten beschleunigen können, die vergleichbar mit der longitudinalen Geschwindigkeit des Strahls sind.
Eine für Raumladungseffekte kritische Dichte erreicht der Elektronen-Flachstrahls 10 erst in der Nähe des Zielbereichs 30 statt, wo solch eine hohe Dichte erwünscht ist und die Elektronen so schnell sind, dass Raumladungskräfte nur noch eine untergeordnete Rolle spielen. Trotz der Verwendung eines Elektronen-Flachstrahls lässt sich durch die dargestellte Strahlführung in radialer Richtung 140 eine isotrope Strahlform im Zielbereich 30 erreichen.
Die flache Strahlform erlaubt es außerdem, kleine Brennpunkte im Zielbereich 30 mit einer moderaten elektronenoptischen Verkleinerung zu erreichen. Dadurch sinken die Anforderungen an die Abbildungsqualität der Elektronenlinse, die durch das elektrische Feld im Fokussierbereich 250 gebildet wird. Insbesondere ist es möglich, rein elektrostatische Linsen mit verhältnismäßig großen sphärischen Aberrationen zu verwenden und es kann auf aufwendige Linsenformen, wie beispielsweise magnetische Immersionslinsen verzichtet werden.
Die Vorteile, die durch ein großes Breiten-zu-Höhen-Verhältnis der Emissionsfläche 110 erzielt werden, fallen besonders deutlich aus, wenn die Breite 120 mindestens einhundertmal, besser noch mindestens eintausendmal größer ist als die Höhe 130. Zum Vergleich erfordert beispielsweise eine Emissionsfläche von 30 mm² eine runde Kathode mit einem Durchmesser von ungefähr 6 mm. Eine Perveanz von 2*10^-6 A/V^ (3/2) ergibt einen minimalen primären Fokus von ca. 0,6 mm. Um nun einen Brennfleck von 50 µm zu realisieren, ist eine elektronenoptische Verkleinerung von eins zu zwölf erforderlich. Dagegen kann eine Emissionsfläche derselben Größe durch einen 300 mm breiten und 100 µm hohen ringförmigen Streifen realisiert werden. Das benötigte Verkleinerungsverhältnis in Dickenrichtung 150 beträgt dann nur noch eins zu zwei und kann mit elektrostatischen Linsen erreicht werden.
Die dargestellte geschlossene Anordnung des Emissionsbereichs 110 um den Zielbereich 30 und die Ausgestaltung der Anodenelemente 220, 225 als Kegel im Zentrum sind nur eine mögliche Ausführungsvariante. Insbesondere ist es denkbar, die Anodenelemente 220, 225 ebenfalls ringförmig um den Zielbereich 30 zu legen. Es ist beispielsweise auch möglich, auf die Linsenelektroden 210, 215 zu verzichten, so dass die Beschleunigungsvorrichtung 200 nur aus der Kathodenelektrode 230 und den Anodenelementen 220, 225 bestehen. Eine Fokussierung des Elektronen-Flachstrahls 10 kann dann durch eine geeignete Ausformung der Elektrodenoberflächen erreicht werden.
Ebenso kann die Beschleunigungsvorrichtung 200 aus mehr Elektroden als der Kathodenelektrode 230, den Linsenelektroden 210, 215 und den Anodenelementen 220, 225 bestehen. So ist zum Beispiel eine separate Ausführung von Elektroden, die die Elektronen von der Kathode abziehen, und Elektroden, die den Elektronen-Flachstrahl 10 fokussieren, möglich. Ebenso könnte, anstatt der gezeigten separaten Ausführung der Kathodenelektrode 230, diese auch mit der Kathode 100 zu einem einzigen Element zusammengefasst werden.
Je nach Ausgestaltung der Kathode 100 und eventuell nachfolgend angeordneter Blendenelemente kann es auch mehr als nur die eine Emissionsfläche 110 geben. Außerdem ist es möglich, die Höhe 130 entlang der Breitenrichtung 125 und die Breite 120 entlang einer Höhenrichtung 120 zu variieren, anstatt diese, wie in den Figuren dargestellt, konstant zu halten.
Des Weiteren müssen die dem Elektronen-Flachstrahl 10 zugewandten Elektrodenoberflächen, beispielsweise eine Fläche 211 der unteren Linsenelektrode 210 und/oder eine Fläche 216 der oberen Linsenelektrode 215, nicht zwingend als Rotationsflächen ausgeführt werden, um die gewünschte Strahlführung in radialer Richtung 140 zu erreichen. So ist es beispielsweise denkbar, weitere Elemente wie radiale Nuten oder Stege an den Elektroden anzubringen, um eine zusätzliche Strahlformung zu ermöglichen. Hierzu können natürlich neben den in Figur 1 bis 3 dargestellten Elementen auch noch zusätzliche Elektroden und Blenden in die Elektronenkanone 1 integriert werden. Entscheidend bei all diesen Modifikationen ist lediglich, dass das elektrische Feld, das sich bei Spannungsbeaufschlagung der Elektroden ergibt, weiterhin eine Strahlführung in primär radialer Richtung 140 ermöglicht.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen sind sowohl die Kathode 10, die Kathodenelektrode 230, als auch die Linsenelektroden 210, 215 und die Anodenelemente 220, 225 als Rotationskörper ausgebildet. Es ist allerdings auch eine segmentweise Ausgestaltung möglich, bei der insbesondere die Emissionsfläche der Kathode 110 und/oder eine oder mehrere Randflächen der unteren Linsenelektrode 210 und/oder eine oder mehrere Randflächen der oberen Linsenelektrode 216 lediglich als Segmente einer Rotationsfläche ausgebildet sind. Die Segmente umfassen dabei anstatt der in den Figuren 1 und 3 gezeigten dreihundertsechzig Grad beispielsweise lediglich neunzig oder einhundertachtzig Grad. Vorzugsweise ist eine Rotationsachse 219 der entsprechenden Randflächen parallel zur Mittenachse 20 orientiert und fällt besonders bevorzugt mit dieser zusammen.
Diese Ausführung entspräche der schematischen Darstellung in Figur 2, wobei die Elektroden ausschließlich aus den dargestellten Segmenten bestünden. Abhängig von einem Öffnungswinkel 213 der Rotationsflächensegmente der Linsenelektroden 210, 215 und von einem Öffnungswinkel 111 des Rotationsflächensegments der Emissionsfläche 110 könnten bei einer solchen Ausführung zusätzliche Randelektroden vorgesehen werden, um den Einfluss von Streufeldern an den Segmenträndern zu minimieren.
Grundsätzlich ist auch eine Ausführung der Kathode 100, der Kathodenelektrode 230, der Linsenelektroden 210, 215 und der Anodenelemente 220, 225 als Segmente eines Rotationskörpers nicht erforderlich, um gemäß der Erfindung einen Elektronen-Flachstrahl zu erzeugen, bei dem durch eine radial konvergente Strahlführung eine Fokussierung in Breitenrichtung 125 unterstützt wird. Eine gekrümmte Ausführung der Emissionsfläche 110 mit einer nicht notwendigerweise konstanten Krümmung und ein entsprechend großes Verhältnis aus Breite 120 und Höhe 130 der Emissionsfläche 110 sind ausreichend.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Elektronenkanone 1 kann die Beschleunigungsvorrichtung 200 neben den Linsenelektroden 210, 215 auch eine Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds 240, 245 umfassen, die beispielsweise aus einem unteren Magnetfelderzeugungselement 240 und einem oberen Magnetfelderzeugungselement 245 besteht, welche in Figur 1 dargestellt sind. Dies erlaubt eine zusätzliche, geschwindigkeitsabhängige Ablenkung der Elektronen. Dabei kann es vorteilhaft sein, dass die Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes 240, 245 ein rotationssymmetrisches Magnetfeld erzeugt, mit einer Rotationsachse 242, die mit der Zentralachse 20 zusammenfällt. Hierdurch wird die Symmetrie des Aufbaus nicht gestört.
Grundsätzlich kann die beschriebene radiale Strahlführung auch eine Ablenkung des Elektronen-Flachstrahls 10 in Dickenrichtung 150 beinhalten, so dass dieser nicht mehr überall in derselben Ebene verläuft. Eine solche Strahlführung kann zum Beispiel durch eine geeignete Ausgestaltung der Linsenelektroden 210, 215 der Beschleunigungsvorrichtung 200 erzielt werden. Insbesondere ist dabei auch eine gleichzeitige Ablenkung und Fokussierung des Strahls möglich.
In Figur 4 ist mit einer Elektronenkanone 3 eine modifizierte Ausführung der Elektronenkanone 1 dargestellt, bei der die untere Linsenelektrode 210 und die obere Linsenelektrode 215 durch eine untere Ablenkelektrode 260 bzw. eine obere Ablenkelektrode 265 ersetzt wurden. Diese sind nicht mehr spiegelsymmetrisch bezüglich einer Strahlebene 12 im Kathodenbereich geformt, so dass ein Elektronen-Flachstrahl 15 im Austrittsbereich 251 am Ende der Ablenkelektroden 260, 265 parallel zur Zentralachse 20 abgelenkt wird.
Die dargestellte Strahlführung ist unter Anderem dadurch charakterisiert, dass eine Strahlrichtung 14 im Zielbereich 30 nicht zur Emissionsfläche 110 der Kathode 100 weist. Dadurch wird vermieden, dass emittierte Elektronen auf der ihrem Emissionsort gegenüberliegenden Seite wieder auf einen Teil der Emissionsfläche 110 auftreffen können und dort die Emissionsfläche 110, zum Beispiel durch elektronenstrahlinduzierte Adsorption, kontaminieren.
Dasselbe Ziel lässt sich auch erreichen, wenn die Strahlrichtung 14 im Zielbereich 30 nicht senkrecht auf der Zentralachse 20 steht, die Strahlführung ansonsten aber keine Ablenkung in Dickenrichtung 150 beinhaltet. In diesem Falle wird ein Elektronen-Flachstrahl erzeugt, der näherungsweise einen Kegelmantel bildet.
Ein erneutes Auftreffen der Elektronen auf dem Emissionsbereich 110 kann auch dadurch verhindert werden, dass eine Strahlrichtung 13 im Bereich der Kathode 100 nicht senkrecht auf der Zentralachse 20 steht. Nach der Emission können die Elektronen dann zum Beispiel durch eine geeignete Ausformung und Spannungsbeaufschlagung der Kathodenelektrode 230 und/oder der Linsenelektroden 210, 215 und/oder zusätzlicher Elektroden in eine Strahlebene, die senkrecht auf der Zentralachse 20 steht, abgelenkt und anschießend weiter radial nach innen beschleunigt werden.
Die Elektronenkanonen 1 bzw. 3 sind erfindungsgemäss als Bestandteil einer Strahlungserzeugungsanlage 2 ausgeführt sein, die zusätzlich eine im Zielbereich 30 angeordnete Zielstruktur 31 umfasst. Erfindungsgemäss handelt es sich hierbei um ein Target zur Erzeugung von Röntgenstrahlung. Mögliche Materialien für ein solches Röntgentarget sind zum Beispiel Wolfram, Rhenium-Wolfram Legierungen, Molybdän, Kupfer oder Kobalt. Die Zielstruktur 31 kann zum Beispiel eine zylindrische Form besitzen und symmetrisch um die Zentralachse 20 angeordnet sein.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Strahlungserzeugungsanlage (2) zur Erzeugung von Röntgenstrahlung mit einer Elektronenkanone (1, 3) zur Erzeugung eines Elektronen-Flachstrahls (10, 15) und einer Zielstruktur (31),
wobei die Elektronenkanone (1, 3) eine Kathode (100) mit einer um eine Zentralachse (20) gekrümmten Emissionsfläche (110), die dazu ausgebildet ist, Elektronen zu emittieren,
und eine Beschleunigungsvorrichtung (200) zur Beschleunigung der Elektronen in einer zur Emissionsfläche radialen Richtung (140) hin zu einem Zielbereich (30) an der Zentralachse (20) aufweist,
wobei die Emissionsfläche (110) in azimutale Richtung eine Breite (120) aufweist
und die Emissionsfläche (110) eine senkrecht zur Breite (120) orientierte Höhe (130) aufweist,
wobei die Breite (120) mindestens zehnmal so groß ist wie die Höhe (130),
wobei die Zielstruktur (31) in dem Zielbereich (30) angeordnet und als Röntgentarget ausgebildet ist.
Strahlungserzeugungsanlage (2) gemäß Anspruch 1, wobei die Beschleunigungsvorrichtung (200) ausgebildet ist, die Elektronen in eine senkrecht zu einer Strahlrichtung und senkrecht zu einer Breitenrichtung (125) orientierten Dickenrichtung (150) abzulenken.
Strahlungserzeugungsanlage (2) gemäß Anspruch 2, wobei die Beschleunigungsvorrichtung (200) ausgebildet ist, den Elektronen-Flachstrahl (10, 15) in Dickenrichtung (150) zu fokussieren.
Strahlungserzeugungsanlage (2) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Breite (120) der Emissionsfläche (110) mindestens einhundertmal, vorzugsweise mindestens eintausendmal größer ist als die Höhe (130) der Emissionsfläche (110).
Strahlungserzeugungsanlage (2) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Emissionsfläche (110) der Kathode (100) als geschlossener Ring ausgebildet ist.
Strahlungserzeugungsanlage (2) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Elektronenkanone (3) eine obere Ablenkelektrode (265) und eine unterer Ablenkelektrode (260) aufweist,
wobei eine Spiegelsymmetrie bezüglich einer Strahlebene (12) im Bereich der Kathode (100) zwischen der oberen Ablenkelektrode (265) und der unteren Ablenkelektrode (260) derart gebrochen ist, dass der Elektronen-Flachstrahl (15) in einem Austrittsbereich (251) am Ende der oberen und unteren Ablenkelektrode (265, 260) parallel zu der Zentralachse (20) abgelenkt wird und eine Strahlrichtung (14) im Zielbereich (30) nicht zur Emissionsfläche (110) der Kathode (100) weist.
Strahlungserzeugungsanlage (2) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Randfläche (211) einer Elektrode (210) der Beschleunigungsvorrichtung (200) als Segment einer Rotationsfläche ausgebildet ist, deren Rotationsachse (219) parallel zur Zentralachse (20) orientiert ist.
Strahlungserzeugungsanlage (2) gemäß Anspruch 7,
wobei das Rotationsflächensegment der Randfläche (211) einen Rotationswinkel (213) von dreihundertsechzig Grad aufweist.
Strahlungserzeugungsanlage (2) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Beschleunigungsvorrichtung (200) eine Einrichtung (240, 245) zur Erzeugung eines Magnetfeldes aufweist.
Strahlungserzeugungsanlage (2) gemäß Anspruch 9,
wobei die Einrichtung (240, 245) zur Erzeugung des Magnetfeldes dazu ausgebildet ist, ein Magnetfeld zu erzeugen, das rotationssymmetrisch um eine zur Zentralachse (20) parallele Achse ausgebildet ist.
Strahlungserzeugungsanlage (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Beschleunigungsvorrichtung (200) an der Zentralachse (20) angeordnete Anodenelemente (220, 225) aufweist, die dazu ausgebildet sind, zur Beschleunigung der Elektronen mit einer auf ein Potential der Kathode (100) bezogenen Spannung von mindestens 25 keV, bevorzugt von mindestens 100 keV, beaufschlagt zu werden.